程國(guó)鋒，鐘蜀暉，楊昌樹(shù)

（貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003）

316L不銹鋼表面納米化殘余應(yīng)力對(duì)疲勞的數(shù)值分析＊

程國(guó)鋒，鐘蜀暉，楊昌樹(shù)

（貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003）

高速旋轉(zhuǎn)絲表面納米化是一種新型的表面納米化方法，對(duì) 316L不銹鋼表面進(jìn)行納米化處理，測(cè)定殘余應(yīng)力在材料內(nèi)部的分布。通過(guò)數(shù)值模擬分析比較，表面納米化處理可以提高材料的疲勞極限。

高速旋轉(zhuǎn)絲表面納米化；殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬分析

高速旋轉(zhuǎn)絲表面納米化是一種新型的表面納米化處理方法，其可以讓金屬表層晶粒達(dá)到納米量級(jí)，晶粒重新排列，間隔距離縮小，相互作用力增強(qiáng)，從而使得材料力學(xué)性能得以提高。然而這種處理方法會(huì)使材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力重新分布，這又會(huì)引起材料整體力學(xué)性能發(fā)生變化，尤其是對(duì)材料的疲勞極限，影響更為顯著。本文對(duì)316L不銹鋼原試件和表面納米化試件殘余應(yīng)力在材料內(nèi)部的分布測(cè)定，用數(shù)值模擬的方法，分析殘余應(yīng)力對(duì)材料疲勞極限的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料

目前材料表面納米化處理的方法有3種：分別為表面涂覆或沉積方法、表面自身納米化方法和混合納米化方法。在這3種納米化處理方法中只有表面自身納米化處理方法，既可解決納米晶體層與基體之間結(jié)合的問(wèn)題，又可以利用傳統(tǒng)的表面加工技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。本文就是利用這種表面納米化方法的優(yōu)越性，利用高速旋轉(zhuǎn)絲表面納米化方法，在316L不銹鋼表面獲得納米層。

本實(shí)驗(yàn)采用表面納米化處理和表面未納米化處理的 316L不銹鋼，其厚度均為5 mm，其材料屬性見(jiàn)表1、表2。

表1 316L不銹鋼常規(guī)性能表

表2 316L不銹鋼表面納米化處理試件的基本參數(shù)

2 殘余應(yīng)力的測(cè)定及修正

2.1 測(cè)試方法的確定

本實(shí)驗(yàn)利用X－350 X射線(xiàn)衍射儀測(cè)定殘余應(yīng)力，其理論成熟、測(cè)量精度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，被廣泛的運(yùn)用于機(jī)械工程和材料科學(xué)。但X射線(xiàn)的穿透能力僅為10 um左右，所測(cè)得的只是工件表層的應(yīng)力。本實(shí)驗(yàn)研究殘余應(yīng)力在體內(nèi)的分布，即需要測(cè)定沿材料厚度方向不同層面上的殘余應(yīng)力，這就需要將待測(cè)面剝露至表面。故采用逐層剝離法，將待測(cè)面剝離至自由面，逐層測(cè)定各層面上的殘余應(yīng)力。

2.2 X－350型應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)試參數(shù)的確定

對(duì)316L不銹鋼板進(jìn)行殘余奧氏體測(cè)定，結(jié)果Aγ＝92.3%，可根據(jù)奧氏體的材料性質(zhì)選定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，其數(shù)據(jù)選擇見(jiàn)表3。

2.3 殘余應(yīng)力的測(cè)定

在測(cè)驗(yàn)前需對(duì)所測(cè)的點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，保證所測(cè)數(shù)據(jù)是同一點(diǎn)在不同深度的分布，同時(shí)可以用算術(shù)平均值來(lái)估算所測(cè)層面的平均殘余應(yīng)力見(jiàn)表 4。每層表面確定 5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

表3 X-350 X射線(xiàn)衍射儀參數(shù)選取表

表4 表面納米化試件殘余應(yīng)力測(cè)定結(jié)果表

圖1 殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布圖

2.4 殘余應(yīng)力的修正

2.5 殘余應(yīng)力測(cè)定值修正結(jié)果

表5 表面納米化處理未疲勞試件殘余應(yīng)力修正結(jié)果

3 ANSYS疲勞數(shù)值模擬分析

3.1 表面未納米處理模型分析

3.1.1 結(jié)構(gòu)單元選擇

結(jié)合本實(shí)驗(yàn)試件的特征，本次疲勞分析采用有限元單元為SOLID－45單元，該單元用于結(jié)構(gòu)三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著XYZ方向平移的自由度。

3.1.2 實(shí)體模型建立

316L不銹鋼的有限元分析模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件模型進(jìn)行建立，其幾何尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)體模型形狀尺寸圖

本實(shí)驗(yàn)試件分為兩種，分別為表面納米化處理試件以及表面未納米化處理試件。

表面未納米化處理試件：整個(gè)試件表面和內(nèi)部的晶粒結(jié)構(gòu)基本一致，故性能也一致，建立模型時(shí)考慮整個(gè)模型為同一材質(zhì)，作為一個(gè)整體。

3.1.3 定義材料特性

316L不銹鋼的彈性模量E＝191 GP，泊松比λ＝0.3。

3.1.4 單元網(wǎng)格劃分

根據(jù)試件的形狀，在中間收縮的弧段將產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩邊的矩形被疲機(jī)夾頭固定，因此受疲勞的作用較小。故在網(wǎng)格劃分時(shí)，將收縮的弧段劃分為45等份，矩形部分在縱線(xiàn)及豎向劃分為10等份，弧段和矩形交接的直線(xiàn)劃分為15等份，沿試件厚度方向劃分為6等份。

3.1.5 加載并設(shè)置荷載步

本疲勞實(shí)驗(yàn)R=－1，最大拉應(yīng)力為210 MPa，最大壓應(yīng)力為210 MPa，故要分為兩個(gè)荷載步加載：①施加壓應(yīng)力－210 MPa，并設(shè)置為第一個(gè)荷載步；②施加拉應(yīng)力，并設(shè)置為第二個(gè)荷載步。

3.1.6 求解計(jì)算（略）

3.1.7 疲勞設(shè)置、分析

后處理模塊POST1，對(duì)求解的結(jié)果進(jìn)行逐步的讀取，查看模型應(yīng)力分布圖，進(jìn)行疲勞設(shè)置及分析。

（1）對(duì)第一個(gè)荷載步進(jìn)行讀取。

（2）第一荷載步疲勞設(shè)置。在讀取第一荷載步后，進(jìn)入Main Menu / General postproc / Fatigue進(jìn)行疲勞設(shè)置。①對(duì)SN曲線(xiàn)進(jìn)行設(shè)定。本次 316L不銹鋼疲勞實(shí)驗(yàn)只測(cè)得實(shí)驗(yàn)頻率H=10 Hz，應(yīng)力比R=－1，最大應(yīng)力為10.5 kN，而沒(méi)有對(duì)SN曲線(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定，故采用中科院盧柯工作組R=－1的316L不銹鋼疲勞實(shí)驗(yàn)應(yīng)力壽命S－N曲線(xiàn)；②疲勞應(yīng)力的儲(chǔ)存。

表6 316L不銹鋼表面納米化處理試件R=－1的S－N數(shù)據(jù)表

（3）對(duì)第二個(gè)荷載步進(jìn)行讀取。和第一個(gè)荷載步讀取的方法一樣，進(jìn)入Main Menu / General postproc / Read results讀取第二荷載步。

（4）第二荷載步疲勞設(shè)置。

（5）疲勞分析：①定義疲勞分析事件和設(shè)定疲勞分析次數(shù)；②激活疲勞計(jì)算，輸出疲勞計(jì)算結(jié)果。

表7 疲勞分析計(jì)算結(jié)果表

可以得出，316L不銹鋼表面未納米處理試件，在R=－1，最大荷載為10.5 kN的疲勞作用下，疲勞壽命關(guān)鍵點(diǎn)2 347號(hào)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命Nf=144 000；在距2347號(hào)節(jié)點(diǎn)有一定距離的43號(hào)節(jié)點(diǎn)，疲勞壽命Nf=176 600。這表明拉壓疲勞在不同的點(diǎn)處產(chǎn)生的應(yīng)力是影響疲勞壽命的決定性因素。

3.2 表面納米化處理模型分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)單元選擇

分析采用有限元單元為SOLID－45單元。

3.2.2 實(shí)體模型建立

圖3 表面納米化試件模型形狀尺寸圖

表面納米化處理試件：試件表層經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn)絲納米化處理，其表層晶粒結(jié)構(gòu)和心部結(jié)構(gòu)有差異，故設(shè)置2種屬性的材料，即表面納米層和基體層，通過(guò)電鏡觀察，納米層厚度為20 um，變形過(guò)渡層厚度為110 μm。

本課題研究殘余應(yīng)力對(duì)材料疲勞性能的影響，故逐層測(cè)定了殘余應(yīng)力在材料內(nèi)部的分布。在數(shù)值模擬時(shí)，考慮材料內(nèi)部殘余應(yīng)力對(duì)材料性能的影響，因此對(duì)材料進(jìn)行沿厚度方向的劃分，在各個(gè)層面上施加測(cè)定的殘余面應(yīng)力，再整體分析殘余應(yīng)力對(duì)材料疲勞性能的影響。

圖4 模型分層圖（形狀對(duì)稱(chēng)，只表示一半圖形）

圖5 表面納米化試件ANSYA建模圖（12層）

3.2.3 定義材料特性

316L不銹鋼的基體層材料彈性模量E=191 GP，泊松比λ=0.3。

3.2.4 單元網(wǎng)格劃分（略）

3.2.5 施加各層面荷載（殘余應(yīng)力在不同表面的施加）

根據(jù)測(cè)定殘余應(yīng)力在各個(gè)層面的分布，在分層模型的各表面上施加面荷載，模擬殘余應(yīng)力在材料體內(nèi)部的分布，應(yīng)力分布值見(jiàn)表8。

表8 殘余應(yīng)力沿模型厚度分布表

殘余應(yīng)力逐層施加圖，見(jiàn)圖6。

3.2.6 施加疲勞拉壓荷載

和原試件的施加，施加方法和未納米化模型施加的方法一致。

3.2.7 求解計(jì)算

3.2.8 疲勞設(shè)置、分析

表9 疲勞分析計(jì)算結(jié)果表

從分析結(jié)果可以得出，316L不銹鋼表面納米處理試件，在R=－1，最大荷載為10.5 kN的疲勞作用下，疲勞壽命關(guān)鍵點(diǎn)13015號(hào)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命Nf=263 400；在13016號(hào)節(jié)的疲勞壽命Nf=263 900。

圖6 殘余應(yīng)力逐層施加圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

ANSYS數(shù)值模擬分析對(duì)表面納米化和表面未納米化 316L不銹鋼試件的疲勞壽命進(jìn)行分析，表面未納米化試件模型的疲勞壽命為144 000，表面納米化試件模型的疲勞壽命為263 400，表面納米化試件的疲勞壽命是表面未納米化試件的1.83倍，即經(jīng)過(guò)表面納米化處理，試件的疲勞壽命提高了83 %。模擬分析表明，試件表面經(jīng)過(guò)納米化處理后，其疲勞性能大幅度的提高。

4 結(jié)論

表面納米化處理使表面層晶粒細(xì)化，晶粒間距縮小，晶粒之間的相互作用力增強(qiáng)，表層的較高作用力阻滯了裂縫在表面的萌生，并且使材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力重新分布。通過(guò)數(shù)值模擬分析，表面納米化處理的試件疲勞強(qiáng)度提高了83%。說(shuō)明表面納米化處理是提高材料疲勞性能的有效措施。

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2 洪京京.316L不銹鋼高速旋轉(zhuǎn)絲變形表面納米化疲勞性能的研究［D］.貴州大學(xué)，2010

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316L Stainless Steel Surface Nanometer Residual Stress to Weary Numerical Analysis

Cheng Guofeng，Zhong Shuhui，Yang Changshu

The high speed revolving dial indicator surface nanometer is one new superficial nanometer method, carries on nanometer place to the 316L stainless steel surface the principle, the determination residual stress in the material internal distribution.Through the numerical simulation analysis comparison, a superficial nanometer processing may enhance the material the limit of fatigue.

high speed revolving dial indicator surface nanometer; residual stress; numerical simulation analysis

TG174.4

A

1000－8136（2011）06－0001－03

貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：校研理工2010047）